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宇宙的的尽头在哪儿?
2018-3-1 23:12:00           作者: 综合

原标题:宇宙的尽头在哪?宇宙真的无尽大?

想要了解宇宙究竟有多大,请你试着将一枚硬币放在你的面前。假设这枚小小的硬币就是我们的太阳,那么另一颗代表距离太阳最近的恒星:比邻星的硬币就应当放在大约563公里之外。对于生活在中国的读者而言,比如上海的读者,这第二枚硬币几乎要摆放到山东或安徽省境内,而对于一些小国的居民而言,这颗硬币可能都已经放到外国去了。

而这仅仅是太阳和距离它最近的一颗恒星而已。当你试图模拟更大范围内的宇宙空间时,就会麻烦的多了。比方说,相对于你的那颗硬币太阳,银河系的直径将是大约1200万公里,这相当于地月距离的30倍。正如你所看到的,宇宙的尺度是惊人的,几乎没有办法用我们生活中所熟知的距离尺度加以衡量。

但这并不意味着人类丈量宇宙的梦想是遥不可及的。天文学家在长期的工作研究中已经找到一些行之有效的方法去测量宇宙的尺度。以下我们将向你呈现有关的内容:

1 宇宙的尺度

这是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一

这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。科学家们让哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光——长达数月,尽可能地捕获每一个暗弱的光点。文中上图是局部的放大,完整的图像是下面这幅图,其中包含有1万个星系,从局部放大图中,你可以看到一些星系的细节。

完整的图像

当你看着这些遥远的星系,你可能没有意识到自己正在遥望遥远的过去,你所看到的这些星系都是它们在130亿年前的样子,那几乎是时间的尽头。如果你更喜欢空间的描述,那么这些星系离开我们的距离是300亿光年。

宇宙处于不断的膨胀之中,但与此同时科学家们对于宇宙尺度的测量精度也在不断提高。他们很快找到了一种绝佳的描述宇宙中遥远天体距离的方法。由于宇宙在膨胀,在宇宙中传播的光线的波长将被拉伸,就像橡皮筋被拉长一样。光是一种电磁波,对于它而言,波长变长意味着向波谱中的红光波段靠近。于是天文学家们使用“红移”一词来描述天体的距离,简单的说,就是描述光束从天体发出之后在空间中经历了多大程度的膨胀拉伸。一个天体的距离越远,当然它在传播的过程中光波波长被拉伸的幅度越大,光线也就越红。

如果使用这种描述方法,那么你可以说这些遥远的星系的距离大约是红移值Z=7.9,天文学家们立刻就会明白你所说的距离尺度。

3 最遥远的天体

最遥远的距离

天文学家能够观测到的最遥远的光线名为“宇宙微波背景辐射”(CMB)。这是抵达地球的最古老的光子,它们几乎诞生于宇宙大爆炸发生的时刻。在大爆炸发生后的短时间内,宇宙非常小,因此相当拥挤,物质太过稠密,以至于光线无法长距离传播。

但在宇宙诞生之后大约38万年之后,宇宙已经变得足够大,光线第一次可以自由地传播。这时发出的光是我们今天所能观测到的最古老的光线,是宇宙的第一缕曙光;它存在于宇宙的每一个方向,无论你把望远镜指向哪个方向,都可以观测到它的存在。宇宙微波背景辐射就像一堵墙,我们最远也只能看到墙这一侧的风景,但是却绝无办法穿墙而过。

那么这些最初的宇宙之光怎么变成微波了呢?这还是因为宇宙的膨胀。随着宇宙的膨胀,当时发出的光波波长被逐渐拉长,经历如此久远的时间(137亿年),它们的波长已经被拉伸到了不可思议的程度。随着宇宙膨胀冷却,现在这一辐射的剩余温度大约仅有-270摄氏度,也就是著名的3K背景辐射。这种辐射的分布显示出惊人地各向同性,各处的差异小于10万分之一。

而如果有朝一日人类终于能够制造出高灵敏度的中微子探测器,那么我们将终于可以突破宇宙微波背景辐射设置的那堵墙,而看到其背后中微子出现时的情景,即所谓的“宇宙中微子背景”。和光子不同,对中微子而言,一般意义上的物质几乎是透明的,它们可以轻而易举地穿过地球,穿过太阳,甚至穿过整个宇宙。正是因为这一特征,一旦我们能够解码中微子中携带的信息,我们将能回溯到宇宙大爆炸之后仅数秒时的情景。

5 星系蝴蝶图

暗物质和暗能量

这个宇宙另外一件令人吃惊的事实是:占据宇宙大部分的成分我们却完全看不到。暗物质是一种神秘的存在,科学家们认为它们遍布宇宙各处,但是我们却看不到也摸不着。它们和光以及任何种类的电磁波都不发生作用,而这正是人类赖以探测宇宙的基础工具。不过它会产生引力,通过它对周遭空间施加的引力效应,科学家们能够感受到它们的存在。

是的,我们能够感觉到暗物质确实存在。比如我们所在的室女座超星系团大约拥有10的15次方倍太阳质量,但是整个超星系团的光度却仅有太阳的3万亿倍。这就意味着室女座超星系团的光度相比其质量所应当拥有的光度小了约300倍。这样的事实是难以解释的,但是如果考虑到这其中遍布大量拥有质量但却不发光的暗物质,一切也就不奇怪了。

事实上,根据计算结果,宇宙中的暗物质含量是我们平常所见的普通物质的5倍。但是暗物质尽管强大,却仍然不足以统治宇宙。真正支配着我们这个宇宙的力量来自另一种神秘物质:暗能量。普通物质和暗物质有一个共同点,那就是它们都拥有质量,并向周围空间施加引力影响,换句话说,它们的作用是让物质聚拢,让宇宙减速膨胀甚至最终收缩。然而,当科学家们观测宇宙,试图分辨出宇宙究竟是在减速膨胀还是在收缩时,他们惊骇地发现事实完全出乎他们的预料——宇宙根本没有收缩或减速,它正在加速膨胀!毫无疑问,存在一种未知的强大到异乎寻常的力量,它不但独力抵抗了整个宇宙中所有普通物质和暗物质产生的引力作用,甚至还推动整个宇宙加速膨胀。对于暗能量的发现最近刚刚被授予了今年的诺贝尔物理学奖,但是尽管有了这样的巨大进展,科学家们对于究竟什么是暗能量却依旧毫无头绪,一无所知。现在有关这一课题的理论几乎就相当于“虚位以待”,等待着未来出现一个更加完美的理论能摘取成功解释暗能量本质的桂冠。

8 宇宙之网

检验宇宙模型

2005年,一个国际天文学家小组试图检验现有的宇宙学理论是否正确。他们进行了一项名为“千年运行”的模拟计划,在计算机中他们模拟100亿个粒子在一个边长为20亿光年的立方体空间中,按照我们现有的理论去作用于它们,是否能得到某种我们所预期的结果。

这项模拟实验中考虑了普通物质,暗物质和暗能量因素,成功地再现出宇宙从混沌逐渐显现类似于我们今天所观察到的宇宙大尺度结构。在模拟运行的过程中,研究人员们目睹了宇宙中大质量黑洞的出现,强大的类星体发出剧烈的辐射,模拟的结果中还出现了大约2000万个星系。正如文中此处展示的那样,研究人员们发现模拟的结果产生出一个和我们所观察到的现实宇宙非常相似的状态。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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